JP2007519774A - 細菌担体物質 - Google Patents

Abstract

【課題】非金属性無機物質の粒体およびプラスチック粒子から成る複合材料の提供。
【解決手段】本発明は、非金属性無機物質の粒体およびプラスチック粒子から成る複合材料に関するものである。当該複合材料は特に、下水処理施設にて使用される細菌用の担体物質として適している。それは、細菌のコロニー形成に適した広い表面、並びに下水処理施設に存在する媒体の中で、複合材料が浮遊することを可能にする密度を特徴としている。本発明の複合材料のさらなる利点としては、複合材料の表面構造により、吸着する汚泥および飽和細菌がその表面から離脱することができ、これによって材料の再生を可能にしている。
【選択図】 なし

Description

本発明は、非金属性無機粒体およびプラスチック粒子製の複合材料に関し、特に細菌担体物質として適するものである。そのような担体物質の好ましい適用分野は、下水処理施設の生物学的段階である。

今日の下水処理に用いられるほとんどの生物学的過程においては、微生物が酸素で有機性毒素を酸化する能力が主に活用されている。従って、下水処理施設の運転に関しては、そのような処理施設における細菌の生存に好ましい状態をもたらす担体物質を供給することに、大きな関心が寄せられている。この点に関しては、一方では、細菌がコロニーを形成しうる、可能な限り最大の表面を提供することが疑いもなく重要であるが、他方では、処理される液体に対応した比重を当該担体物質が有していれば有利であり、その結果担体物質は液体中に浮遊するようになり、既存の液流によって循環することが可能となる。また、有利な細菌担体のさらなる基準は、材料の上に蓄積する飽和細菌を含む汚泥を時々担体から落とすことを可能にする、充分に滑らかな表面が存在し、新たな細菌の増殖と、ひいては処理ユニットの再生のための場所を提供することである。

固定床フィルターでは、細菌の担体として幼虫および／または砂利を使用することが知られている。しかしながら、この異なった方式は、担体が水よりも密度が高くなるために浮遊することができないという、不利な点を特徴としている。さらなる不都合としては、高レベルの圧力損失が発生することである。下水処理施設で細菌の担体としてこれらの物質を利用することのさらに不利な点としては、この場合、汚染問題が十分に解決されておらず、このタイプの担体物質の表面積が小さすぎるという事実がある。

さらに、下水処理施設において、特に成形体に基づくプラスチック担体の使用が知られている。しかしながら、これらは、最大600m²／m³までの小さな表面積、および浮くことへの部分的傾向によって区別されるものである。

セラミックスに基づく担体も利用されているが、これらは一方では浮遊することができず、他方では製造に費用がかかりすぎるため、満足するものではない。

前述の先行技術に関連して、本発明は、下水処理施設での使用向けに細菌の担体物質を提供し、細菌によるコロニー形成のための大きな比表面積を持ち、それが処理施設の水媒体中に浮遊できるものであり、充分に滑らかな表面により、運転中に汚泥および飽和細菌が落下できるようにするという目的に基づくものである。

この目的は、請求項1に記載の複合材料による本発明によって満たされている。当該複合材料の好ましい態様は、従属請求項2および3に記載されている。

本発明はまた、本発明の複合材料を細菌の担体物質として使用することに関するものである。本発明のこの側面は、請求項4〜6に記載されている。

本発明はさらに、本発明の複合材料の製造方法に関するものである。この方法は、請求項7および8に記載されている。

１．定義
1.1 明示的な記載がない箇所では、本記述は、開孔という意味で「細孔」、「多孔性の」、及び「多孔度」という用語を使用している。従って、これらの用語は外部から到達できる細孔に関する。

1.2 「比表面積」は、DIN 66131に従ってBET法を使用した窒素吸収によって決定される。

1.3 到達可能な（開放）「多孔度」は、DIN 66133に従って水銀ポロシメトリーを使用して決定される。

1.4 「粒度」は、DIN 53477に従って篩分析によって決定される。

1.5 「多孔度」は、式（I）によって定義される。
P＝V×100%／（1／S+V) （I）
上式において、Pは多孔度[%]、Sは真密度[g／cm³]、Vは比細孔容積[cm³／g]である。

1.7 「比細孔容積」および「細孔のサイズ」は、DIN 66133に従って、水銀ポロシメトリー法で決定する。水銀ポロシメトリー法で比細孔容積を測定する場合、試料に浸透した水銀の量は、必要な圧力と共に決定される。水銀の既知の毛管力を使用したこれらのデータにより、細孔容積および細孔のサイズが判明する。水銀は到達可能な細孔にのみ浸透できるという事実に基づき、測定中は開放多孔度のみが検出される。

1.8 「真密度」（固体密度）は、DIN 66137-2に従って、測定によって得る。

2. 非金属性無機物質
本発明の複合材料に使用される非金属性無機物質には、細菌によるコロニー形成のための充分に広い表面を提供するという課題がある。比表面積の大きさ以外で、細菌コロニー形成の適性に対して決定的に重要であるのは、その構造である。特に、非金属性無機物質が、周辺媒体との充分な物質交換が確実に行われるにふさわしい程度に、外部から到達可能で小さすぎない細孔を有していれば、細菌のコロニー形成に好ましい。

本発明によれば、上述の要件は、以下の特徴を有する不活性物質によって満たされる。
−比表面積が10,000 m²／m³〜1,000,000 m²／m³の範囲である、
−多孔度が10%〜80%の範囲である、
−少なくとも50%の細孔が、0.1μm〜1000μmの範囲の大きさを有する、
−50%以上の粒子が、0.1 mm〜50 mmの範囲の大きさを有する

好ましくは、物質の比表面積は25,000 m²／m³ 〜500,000m²／m³の範囲である。特に好ましくは、比表面積が100,000 m²／m³〜500,000 m²／m³の範囲にある物質である。同様に、少なくとも細孔の80%が0.5μm〜100μm、好ましくは5μm〜50μmの間の範囲にある物質が有利に使用される。さらに、物質の70%が0.1 mm〜50 mmの範囲の粒度を有することが好ましく、1 mm〜20 mmの間であることが特に好ましい。さらに好ましくは、（開放）多孔度が40%〜80%の範囲、好ましくは50%〜70%の範囲にある物質を使用することである。

非金属性無機物質はさらに、（下記のプラスチック製物質と同様）細菌用の担体材料として使用される周辺媒体の中（すなわち、典型的には水媒体の中）で不活性であること、すなわち可溶性ではなく、化学反応も受けないという点で、それ自体を区別している。

非金属性無機物質の化学組成は、上記の要件を満たしていることを条件として、さらに詳述はされない。次の非金属性無機物質、例えばゼオライト、活性炭、粒状粘土、多孔性珪酸塩物質は、本発明に従って使用することができる。

特に好ましい物質は、DE 100 22 798に開示されている。
本発明の非金属性無機物質の製造は、従来の技法を使用して実施される。
非金属性無機物質の適切な粒度は、粉砕および/または篩分けによって得られる。

3. プラスチック粒子
本発明により使用されるプラスチック粒子には、一方では、非金属性無機物質との結合を通じて、複合材料が周辺媒体の中で浮遊できるように当該媒体の密度に対応した複合材料の比重を可能にするという目的がある。

他方では、非金属性無機物質と比較して滑らかな表面を有するプラスチック物質は、汚泥および飽和した細菌が複合材料の表面から分離することを可能にしている。

この目的を達成するためには、プラスチック粒子の比重が0.6 g／cm³〜1.2 g／cm³、好ましくは0.9 g／cm³〜1.1 g／cm³の範囲であり、比表面積が50 m²／m³〜1000 m²／m³、好ましくは100 m²／m³〜500m²／m³の範囲であり、プラスチック粒子の50％以上が、5 mm〜100 mm、好ましくは8 mm〜60 mmの範囲の粒度を有していることが有利である。

上記の基準を満たす粒子が当該物質から作製されているのであれば、本質的にはすべてのプラスチック物質が本発明の使用に対して適切である。本発明の使用に対して適切である典型的なプラスチックとしては、PE（ポリエチレン）、PP（ポリプロピレン）、PS（ポリスチレン）、PU（ポリウレタン）、ABS（アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン）、およびPVC（ポリ塩化ビニル）があげられる。

プラスチック粒子の形状は特定されておらず、球、平円盤、レンズ、あるいは立方体形状の粒子を使用することができ、混合された形状および完全に不揃いの形状の粒子もまた使用することができる。
粒子の大きさおよび形状は製造過程によって決定される。

4. 複合材料
複合材料の本質的側面としては、非金属性無機物質の粒子およびプラスチック粒子の両方が存在することにある。これらの構成成分の相対質量比は、典型的には85:15〜15:85（非金属性無機物質：プラスチック粒子）の範囲である。構成成分の正確な質量比は、複合材料の望ましい比重と構成成分の比重を用いて容易に算出でき、さらに当業者が容易に決定することができる。

複合材料の所望の比重は、下水処理施設における媒体の比重によって、処理施設の細菌担体物質として使用される際に決定する。粒子が浮遊する能力に関しては、媒体の比重より20％以上乖離しないような比重の複合材料を選択することが有利となり得る。そしてさらに好ましくは、比重が媒体のものより10％以上乖離しない複合材料である。特に好ましくは、比重が、媒体の比重の±5%の範囲内にある複合材料である。これは、例えば、比重が1 g／cm³の媒体の場合、複合材料の比重は0.8 g／cm³〜1.2 g／cm³の範囲であり、好ましくは0.9 g／cm³〜1.1 g／cm³であり、特に好ましくは0.95 g／cm³〜1.05 g／cm³の範囲にあることである。

複合材料の構成成分は、（例えば、下水処理施設の運転のために）使用された場合に、そこに発生する機械的負荷に耐えられるよう互いに有利に結合している。成分の結合方法は詳しくは特定されず、プラスチック粒子を溶融させる間にプレス加工を行う方法、および成分を固める方法の両者を含めることができる。

複合材料中の成分の空間的配置についても詳しく特定されない。従って、本発明の複合材料に関しては、非金属性無機物質粒体とプラスチック粒子との接触部位に加え、非金属性無機粒体間での接触部位、および／またはプラスチック粒子間での接触部位が存在し得る。

また複合材料の成分は、複合材料の比表面積が500／m²／m³〜750,000m²／m³の範囲内（特に好ましくは10,000m²／m³〜700,000m²／m³）にあるように選択され、互いに結合していることが好ましい。基本的に複合材料の粒子の大きさと形状は明記されない。しかしながら、基底面が円形で、直径が1cm〜10cm、好ましくは2cm〜6cmの範囲内にあり、厚さが2mm〜20mm、好ましくは5mm〜10mmの範囲内にある平円盤形の粒子は、既に有利であることが判明している。従ってこれらの平円盤形粒子には、比較的広い中空の空間を有することができる。

5. 複合材料の使用
発明の複合材料は、細菌の担体物質として、下水処理施設の生物学的処理段階における使用に特に適している。典型的には、複合材料は反応槽の体積の5%〜50%の間に相当する量、好ましくは10%〜40%の体積で使用される。

複合材料の使用の際には、必ずしも必要ではないが担体物質は適切な細菌を用いて植菌してもよい。

発明の複合材料の用途は、下水処理施設に限定されない。複合材料は、細菌担体物質として他の用途、例えば化学工業におけるバイオリアクター、食品産業における発酵リアクター等にも適している。これらの用途に使用する場合、使用する構成材を、安定性、比重、毒性度等に関して一般的な条件および要件に適応させることが必要となる場合がある。こうした適応は、決まった手順による実験を活用することにより容易に実行することができ、また関連の当業者が有する専門家としての一般的知識に基づいて実行することができる。

6. 複合材料の製造
本発明の複合材料は、以下により、構成成分から製造することが可能である。
(1) 非金属性無機物質をプラスチック粒子と混合し；
(2) 提供された鋳型に混合物を充填し；
(3) プラスチック粒子の表面を溶解し；そして、可能であれば、
(4) 溶融プラスチック粒子および非金属性無機物質の粒子を共にプレスする。
ここで、上記ステップ（4）は、ステップ（3）と同時に、またはステップ（3）の後で実行することができる。

ステップ（3）における融解は、プラスチック粒子を、プラスチックの融点以上の温度で5分〜60分間加熱することによって実行する。好ましくは、粒子の縁領域のみを融解して、粒子の中核部分によって粒子の構造や形状が維持されている状態にしておく。ただし、粒子の変形が軽度の場合は有害ではない。

製造プロセスは、典型的には非金属性無機物質をプラスチック粒子と混合し、適切な焼結用モールドに充てんし、そして可能であれば押圧するという作業が含まれる。次に、温度と滞留時間のパラメータを設定した既定の焼結プログラムにしたがって焼結装置の中で混合物を焼結させる。焼結装置における滞留時間内に、プラスチック粒子の焼結が起こり、プラスチック粒子が非金属性無機物質を取り囲む。

好ましい態様においては、プラスチック粉末を使用することにより、プラスチック粒子と非金属性無機物質との間の結合が達成される。プラスチック粉末は、融解前であればいつの時点でも加えることができる。プラスチック粉末の好ましい粒度は0.2mm〜1.5mmの範囲であり、特に好ましくは0.2mm〜1.0mmである。これらの粒度が小さいため、構成材が融解し、このため結合が促進される。つまり、プラスチック粉末は媒体としての機能を果たす。

プラスチック粉末としての用途に最適な物質は、プラスチック粒子を有する物質である。ただし、類似する物質の使用も可能である。これに関して、「類似する物質」であると理解されるためには、比重は0.6g／cm³〜1.2g／cm³、好ましくは0.9g／cm³〜1.1g／cm³である。さらに、プラスチック粉末の融点は、プラスチック粒子の融点と類似している必要がある。当該融点は、プラスチック粒子の融点の10％を超えることなく、かつプラスチック粒子の融点の30％を下回らないことが好ましい。

プラスチック粉末の好ましい使用量は、使用するその他の物質によって異なり、簡単な予備試験によって決定することができる。いずれの場合も、プラスチック粉末の量は、少なくとも、構成材が複合材料から脱離しない程度に十分多い状態であることが効果的である。一方で、すべての表面を単に覆うために必要な量を超えるほどにプラスチック粉末の相対量を増加させることは効果的ではない。

7. 実施例
以下の特性を有するセラミック物質を結合させることにより、複合材料を製造した。

開始物質：
ケイ酸塩物質
気孔の大きさ： 0.1μm〜100μm
物質の密度： 2.2g／cm³
気孔率： 60%
比表面積： 350,000m²／m³

プラスチック物質：
HDPE
密度： 1.035g／cm³

プラスチック粉末：
HDPE
密度： 0.951g／cm³
軟化温度： 84°C（ISO 306に基づくViat B50）

工程温度： 230°C
滞留時間： 20分

比重： 約1g／cm³
粒子の大きさ： 20mm〜50mm
比表面積： 約175,000

結合物質は、下水処理施設の媒体中に懸濁することが可能であり、細菌によるコロニー形成が可能であった。下水処理施設の試運転において、担体から細菌と汚泥を除去することが可能であるため、細菌がコロニー形成した担体を容易に再生することができることが判明した。

Claims (8)

1. 0.8 g／cm³〜1.2 g／cm³の範囲の比重を有する複合材料であって、以下の成分を含む材料：
   （a） 10,000m²／m³〜1,000,000m²／m³の比表面積を有する1つ以上の非金属性無機物質の粒子であって、10%〜80%の多孔度を有し、そのうち少なくとも50%の細孔は0.1μm〜1000μmの範囲の大きさを有し、粒子の50％以上が0.1 mm〜50 mmの範囲の粒度を有している前記粒子；及び
   （b） 0.6g／cm³〜1.2g／cm³の比重を有する１つ以上のプラスチック粒子であって、その比表面積は50m²／m³〜1,000m²／m³であり、50％以上は0.01 mm〜100 mmの範囲の粒度を有する前記プラスチック粒子。
2. 前記非金属性無機物質は、25,000m²／m³ 〜500,000m²／m³の比表面積を有する請
   求項1に記載の複合材料。
3. 前記プラスチック粒子に対する前記非金属無機物質の重量比は、15：85〜85：15である請求項１または２の１以上に記載の複合材料。
4. 細菌担体物質としての請求項１〜３の１以上に記載の複合材料の使用。
5. 水処理施設における請求項４に記載の使用。
6. 前記複合材料の比重は、周囲の媒体の比重に相当する請求項４または５に記載の方法。
7. 以下のステップを含む、請求項１〜３の１以上に記載の複合材料を製造する方法であって、
   (1) 非金属性無機物質をプラスチック粒子と混合し、
   (2) 混合物をモールドに充てんし、
   (3) プラスチック粒子の表面を融解し、
   (4) 融解したプラスチック粒子と非金属性無機物質の粒体を押し合わせ、
   ここで前記ステップ(4)は、前記ステップ(3)と同時、あるいは前記ステップ(3)の後に実行される、前記方法。
8. ステップ(3)の前に、プラスチック粒子の物質と同一又は類似する物質から生成されたプラスチック粉末を添加する、請求項７に記載の方法。